中国海油高精度地震勘探采集装备技术研制与应用*

阮福明 吴秋云 王 斌 曹占全 朱耀强

(中海油田服务股份有限公司物探事业部 天津 300451)

中国海油高精度地震勘探采集装备技术研制与应用*

阮福明 吴秋云 王 斌 曹占全 朱耀强

(中海油田服务股份有限公司物探事业部 天津 300451)

随着海上油气勘探技术的发展和勘探目标的日益复杂化，对地震采集的测量动态范围、精度及分辨率的要求日益提高，迫切需要研发高精度海上地震勘探装备。为打破国外技术封锁和垄断，近年来中海油服攻克难关，自主研制了一系列完全知识产权的高精度地震采集装备和技术，包括“海亮”高精度拖缆地震采集系统、“海燕”拖缆定位与控制系统、“海途”综合导航系统及“海源”气枪震源控制系统。多次海上试验及生产应用表明，利用自主研发的高精度地震采集装备采集到的数据具有高保真度、高带宽、高分辨率等特点，其核心技术指标达到了国际同类产品的先进水平，填补了我国在该领域的技术空白，全面提升了我国海上油气勘探技术的核心竞争力。

中国海油；高精度地震勘探；采集装备与技术；“海亮”高精度拖缆地震采集系统；“海燕”拖缆定位与控制系统；“海途”综合导航系统；“海源”气枪震源控制系统

随着各种勘探技术的不断发展以及勘探目标的日趋复杂，海洋油气勘探面临诸多挑战，迫切需要地震勘探装备能够提供更高质量的勘探资料。目前，高精度地震勘探技术已逐渐成为实际勘探作业的主要手段之一[1-6]，其发展的途径主要有提高空间采样率，减小采集面元，更好的震源控制技术、拖缆姿态控制技术以及相应的处理解释技术等。国际上高精度地震勘探技术已有3 种典型代表:以PGS 为代表的HD3D技术、CGGVeritas的Eys-D技术、WesternGeco的Q技术。由于起步较晚，我国的物探地震设备几乎全部依赖进口，而且受制于技术壁垒，高精度地震勘探技术发展缓慢[7-8]。

为改变我国海上地震勘探装备依赖进口的现状，打破国外技术封锁和垄断，从“十五”起中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)依托国家“863计划”课题，逐步开展海上高精度地震勘探采集装备技术的研发。“十五”期间，依托“863计划”子课题“时移地震采集关键设备研制”，开展了关键核心系统——拖缆采集系统的研制，形成了试验样机;“十一五”期间，依托“863计划”子课题“海上高精度地震采集设备研制”，开展了海上地震装备技术攻关，形成了拖缆地震采集系统、拖缆定位与控制系统两套工程样机;“十二五”期间，依托“863计划”课题“深水高精度地震勘探系统成套化研制”，在前期成果基础上，开展了海上高精度成套物探装备及核心技术研制，成功研制出具有完全自主知识产权的“海亮”、“海燕”、“海途”、“海源”等4套高精度地震采集装备和技术，已进行多次试验及生产作业，取得了良好的应用效果，为我国海上石油勘探开发发挥了重要作用。

1 “海亮”高精度拖缆地震采集系统

1.1 I型地震采集系统

“海亮”(HQI-Seis)I型系统是由中海油服自主研发的第一代海上高精度拖缆地震采集系统，分为船载记录系统和水下拖缆两大部分(图1)。

图1 “海亮”I型地震采集系统Fig .1 HQI-Seis I seismic acquisition system

船载记录系统由数据采集箱体、主控工作站和显示工作站以及其他磁带存储设备和绘图显示设备组成，负责接收水下拖缆地震数据，进行数据格式转化、显示和记录。水下拖缆利用水听器接收地震波，完成模数转化，向船载记录系统实时传送地震数据[9-10]。 水下拖缆采用3.125 m道间距，可实现0.25、0.5、1、2、4 ms多种地震数据采样间隔，使用高精度24位模数转化(ADC)，动态范围大于115 dB。系统的可扩展能力较强，最大能扩展到16缆地震数据采集。水下拖缆采用单检高密度小道距技术，设计中充分利用现代电子技术的成果，拖缆工作段每段长100 m，直径50 cm,这种小尺寸有利于减小拖缆在水中的流噪声[7]。

1.2 固体拖缆技术

近年来， 固体线列阵作为新兴产品因其环保与低噪声等优势在国际上甚受重视，有逐渐取代传统充液线列阵的趋势[11]。“海亮”固体电缆利用固体发泡层代替传统液体填充物为整条电缆提供浮力，环保可靠，在电缆内部相应位置布局水听器、通信线圈、采集传输模块等器件实现地采集、解析、传输和电缆水下姿态的控制，内部线缆通过弹性软段与两端水密性连接器连接组成固体电缆的机械接头总成(图2)。

固体电缆相比传统充油电缆更环保，即使现场使用过程中受到破坏也不会对海洋环境造成危害，不会因破皮进水进气而影响信号接收质量，信号保真度高、接收质量好，可靠性高、故障率低，从而能保证较高的作业时效。

图2 “海亮”固体电缆结构Fig .2 HQI-Seis solid streamer structure

近年来，“海亮”高精度拖缆地震采集系统搭载“滨海511”、“滨海512”、“海洋石油760”等船完成了多次试验及生产任务，取得了良好的应用效果，累计产值近2亿元人民币。 2016年9月，采用7 km拖缆高效完成南海某工区约2 470 km的二维斜缆犁式作业，平均日作业量120.3 km,最大作业深度达100 m，设备故障率为零。

2 “海燕”拖缆定位与控制系统

“海燕”(HQI-Poco)系统是中海油服自主研发，具有完全自主知识产权的国内首套拖缆定位与控制系统(图3)，包括上位机控制系统和水下控制设备。通过控制罗经鸟翼板垂直方向移动实现拖缆深度控制，通过控制水平鸟翼板水平方向移动实现拖缆间距控制，通过声学鸟测距为综合导航系统提供定位数据。“海燕”系统兼容进口及国产水鸟，兼容进口及国产综合导航系统，突破了深度控制限制，打破了国外技术垄断，工作水深可达100 m，提供可调节的水平控制、声学测距控制算法，稳定性好、可靠性高、定位精度准，受到国内外广泛关注和一致好评。目前，“海燕”系统已在多艘物探船应用。

图3 “海燕”上位机控制系统及水下控制设备Fig .3 HQI-Poco upper computer control system and underwater equipment

2.1 深度控制技术

为实现罗经鸟深度控制，采用带有带死区的PID改进控制算法。PID控制算法是一种过程自动控制策略，应用于过程中某个参量的闭环控制，以实现某一过程的智能化自动控制。PID控制算法的基本公式为

(1)

式(1)中：u(n)为被控目标调整量；比例Kp为对预设值和反馈值差值的放大系数；e(n)为参量设定值与第n次参量测得值之差；积分Ki为预设值和反馈值之间差值在时间上进行累加；微分Kd为预测误差变化趋势。

结合罗经鸟的具体工作实际，式(1)可描述为以下流程:

1) 上位机给罗经鸟进行深度设定，即为目标参量的设定值；

2) 罗经鸟接收到命令，立即进入PID闭环深度控制模式，计时开始；

3) 到达定深度闭环控制时刻，处理器根据深度偏差值e(n)和上次偏差值e(n-1)，代入式(1)计算得罗经鸟翼板角度偏差值u(n)；

4) 罗经鸟根据计算偏差值角度u(n)，转动到相应角度。

应用表明，PID控制算法较好地实现了罗经鸟的深度控制，达到了国际同类设备水平。

2.2 全网测距技术

为实现拖缆定位与间距控制，采用声学鸟挂载在拖缆指定位置，声学鸟之间互相测距实现相对距离测量，得到电缆几何形状。采用声学轮询测距算法，根据约束条件，以声学鸟为节点，自动构建声学测距网络并合理安排声学鸟的信号发射时间和信号接收时间窗口序列，以达到总体时间最短的目标(图4)。采用后补偿机制的贪婪算法，初始构建最大网络集，采用基于优先级的删边策略规则，不断迭代删边，直至符合最小约束。采用回归补偿机制，克服删边策略的不完备性，将多删的边恢复，使网络几何结构达到最优。

图4 “海燕”网络测距策略Fig .4 HQI-Poco network ranging strategy

3 “海途”综合导航系统

通过攻克基于卡尔曼滤波的坐标解算算法以及缆形解算算法、炮点预测算法，研制了具有完全自主知识产权的综合导航系统——“海途”(HQI-Navi)综合导航系统(图5)，实现了物探船的定位与控制。“海途”综合导航系统是海上地震勘探作业中的控制和指挥中心，为勘探船提供实时定位，控制船载其他系统协同工作，实时解算震源位置和检波点位置以及分析反射面元覆盖情况，对地震勘探作业质量进行有效控制，其精度直接关系后期的地震数据处理以及钻井定位。应用表明，“海途”综合导航系统兼容性好，可跨平台，支持常见勘探系统及设备，支持随机震源响炮作业，支持常见操作系统,导航定位精度高。

图5 “海途”综合导航系统Fig .5 HQI-Navi integrated navigation system structure

3.1 主要算法

1) 炮点预测算法。“海途”综合导航系统实时计算船位和前绘炮点距离，使实际响炮点与理论响炮点一致，偏差越小说明响炮精度越高。采用基于卡尔曼滤波的炮点预测算法，在天气、海浪剧烈变化的环境中能保持较好的计算精度，响炮精度高，可使响炮点与前绘坐标整体偏差控制在0.1 m以内(图6)。

图6 南海某测线“海途”响炮精度Fig .6 Shot accuracy of HQI-Navi for a survey line in South China Sea

2) 缆形解算及坐标解算算法。采用弧段积分缆型解算方法，将相邻的近距离节点之间视为直线段，通过已知距离偏移与方位观测值进行坐标传递，计算出缆上所有节点的坐标，并通过尾标RGPS等观测值进行电缆旋转修正偏差；通过实时接收差分GPS信号与船参考点坐标以及配置的船尾中心点、枪阵和拖缆挂载的罗经鸟、声学鸟以及RGPS相对位置及实时数据，采用卡尔曼滤波法进行坐标传递，最终计算出每个采集道的坐标。实际应用表明，与国外同类系统比较，“海途”综合导航系统整体偏差可控制在2.5 m以内。

3.2 硬件采集平台

研制了具有自主知识产权的导航数据采集平台(INSP)，实现了船载综合导航系统实时数据的采集及勘探作业触发控制(图7)。基于VME总线架构，选用商用成熟的单板计算机及传输接口板实现综合导航系统和船载其他系统及传感器设备的互连通信,其中单板计算机运行VxWorks实时操作系统，传输接口板采用现场可编程门阵列(FPGA)实现高精度时钟守护和触发。

图7 “海途”综合导航数据采集平台结构Fig .7 INSP structure of HQI-Navi

4 “海源”气枪震源控制系统

气枪震源控制系统是海上地震勘探设备不可或缺的重要组成部分，可完成对气枪震源的激发控制，实时采集气枪同步信号、近场子波信号、压力和深度数据，监控气枪震源的激发质量。研制了完全自主知识产权的“海源”(HQI-Source)气枪震源控制系统。该系统把水下采集的所有数据在气枪附近进行数字化，大大减小炮缆的直径和长度，允许更小的偏移距，实现了高精度的气枪震源同步控制，为高质量的3D、4D 地震勘探提供高度重复的、宽频的震源信号。同时，该系统还实现了多种延迟气枪震源控制方式，为随机震源和立体震源提供了更简易的方式，从而能够为多船、宽频等采集新方法提供有效震源保障。

5 应用效果

近年来，高精度地震勘探采集装备逐渐投入生产应用，突破了深度、道间距等技术限制，开展了深缆、斜缆、高密度等新方法试验和生产作业，完成了10余个地震采集作业，包括常规2D、斜缆宽频2D及高密度3D勘探，应用区域遍布渤海、黄海、东海和南海(表1)。

表1 近年来我国海上高精度地震勘探采集装备作业情况Table 1 Seismic exploration of high precision acquisition equipment in recent years in China offshore

目前“海亮”、“海燕”、“海途”、“海源”等装备系统已装配到新建的“海洋石油760”和“海洋石油707”船，实际应用表明已具备单缆7 km的二维地震采集能力，进一步推动了自主装备的生产应用，承担起了生产作业及探索勘探新方法、新技术的任务，助力中国海油开拓新的市场。

近年来，“海亮”犁式斜缆作业由于其高分辨率成像效果受到广泛关注，与常规水平缆相比优势明显(图8)。

图8 “海亮”犁式斜缆与常规水平缆成像效果对比Fig .8 Contrast of images between HQI-Seis inclined streamer and conventional horizontal streamer data

应用表明，中国海油高精度地震勘探采集装备采集到的资料具有明显优势：有利于避免空间假频，可提高噪音识别能力；有利于近地表地质调查，可提高浅层勘探精度；室内数字组合方式更方便，可为后续处理提供多种选择[12-14]；可提高分辨率和成像精度，采集的数据表现出良好的频谱，其中“海亮”犁式斜缆作业比常规水平缆采集显著提高了频带宽度(图9)。

图9 “海亮”犁式斜缆与常规水平缆频谱对比Fig .9 Contrast of spectrum between HQI-Seis inclined streamer and conventional horizontal streamer data

6 结束语

高精度地震勘探采集装备的研制是一项大的系统工程，涉及物探、机械、电子、软件、测绘、控制等多学科融合，工艺和可靠性要求高。经过近几年不懈努力，中海油服攻克难关，成功研制出我国海上高精度地震勘探系统成套采集装备，包括“海亮”高精度拖缆地震采集系统、“海燕”拖缆定位与控制系统、“海途”综合导航系统以及“海源”气枪震源控制系统，完成了多次海上试验及生产作业，取得了非常好的应用效果，采集到的地震数据具有高保真度、高带宽、高分辨率等特点，受到了业界广泛关注。这表明，中海油服自主研发的高精度拖缆采集装备可以适应高精度野外地震勘探的要求，其核心技术指标均已达到国际同类产品的先进水平，打破了国外公司长期的技术垄断与限制，填补了我国在该领域的技术空白，全面提升了我国海上油气勘探技术的核心竞争力。

[1] 胡永贵，王梅生，李培明.高密度地震勘探现状与需求[R].西安：西安物探装备技术研讨会,2007.

[2] 熊翥．高精度三维地震(I)：数据采集[J]．勘探地球物理进展，2009，32(1)：1-11. XIONG Zhu.High precision 3-D seismic:Part I Data acquisition[J]．Progress in Exploration Geophysics，2009，32(1)：1-11.

[3] 赵伟．中国海上时移地震技术应用的可行性研究[J]．勘探地球物理进展，2003，26(1)：30-34. ZHAO Wei.Feasibility study on time-lapse seismic offshore China[J]．Progress in Exploration Geophysics，2003，26(1)：30-34.

[4] 夏颖，祝彩霞，孙灵群．地震勘探仪器在高密度采集中的应用[J]．物探装备，2008，18(1)：7-10,21. XIA Ying,ZHU Caixia,SUN Lingqun.Application of seismograph in high-density acquisition[J]．Equipment for Geophysical Prospecting，2008，18(1)：7-10,21.

[5] 李绪宣，朱振宇，张金淼．中国海油地震勘探技术进展与发展方向[J]．中国海上油气，2016，28(1)：1-12.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.001. LI Xuxuan,ZHU Zhenyu,ZHANG Jinmiao,The progress and direction of seismic exploration technology in CNOOC [J].China Offshonre Oil and Gas,2016，28(1)：1-12.DOI:10.11935/j.issn.1673-1506.2016.01.001.

[6] 阮福明，朱耀强，吴秋云.海上高密度单点单检波地震采集系统[R].广东深圳：SPG/SEG国际地球物理会议,2011.

[7] 王守君，吴秋云，朱耀强，等．海上单检波器高密度拖缆地震采集系统技术特点与测试效果[J].中国海上油气，2012,24(6):6-11. WANG Shoujun,WU Qiuyun,ZHU Yaoqiang,et al.Technical features of a marine high density seismic acquisition system with single geophone by streamer and its testing effects[J].China Offshore Oil and Gas,2012,24(6):6-11.

[8] 钱绍瑚．实用高分辨率地震勘探数据采集技术[M]．武汉：中国地质大学出版社，1988：91-108.

[9] 李庆忠.走向精确勘探的道路——高分辨率地震勘探系统工程剖析[M].北京:石油工业出版社，1993：1-11.

[10] 邓勇，邱永成，段瑞芳．COSL海亮海上地震数据采集系统简介[R].辽宁本溪：中国石油学会物探技术研讨会,2008.

[11] 张伟宁，刘庆文，吴琳．拖曳线列阵流噪声抑制结构设计参考[J]．海洋工程装备与技术，2015，8(4)：280-283. ZHANG Weining,LIU Qingwen,WU Lin.Design reference of towed linear array structure for flow noise suppression[J].Ocean Engineering Equipment and Technology,2015，8(4)：280-283.

[12] 阎世信，曾忠．石油地球物理勘探技术的发展及需求[J]．中国石油勘探，2002，7(2)：36-42. YAN Shixin,ZENG Zhong.Development and demand of petroleum geophysical exploration technology[J].China Petroleum Exploration，2002，7(2)：36-42.

[13] 赵殿栋．高精度地震勘探技术发展回顾与展望[J]．石油物探，2009，48(5)：425-435. ZHAO Diandong.Review and prospect on the development of high precision seismic exploration technology[J]．Geophysical Prospecting for Petroleum,2009，48(5)：425-435.

[14] 杨文达，刘望军．海洋高分辨率地震技术在浅部地质勘探中的运用[J]．海洋石油，2007，27(2)：18-25. YANG Wenda,LIU Wangjun.Marine high-resolution seismic techniques applying in the geological exploration of shallow strata[J]．Offshore Oil,2007，27(2)：18-25. 收稿日期：2016-10-18 改回日期：2017-01-22

(编辑：张喜林)

Development and application of high precision seismic acquisition equipment in CNOOC

RUAN Fuming WU Qiuyun WANG Bin CAO Zhanquan ZHU Yaoqiang

(COSLGeophysicalDivision,Tianjin300451,China)

The improvement of exploration technology and increasing complexity of exploration targets in offshore lead to higher requirement for measurement of dynamic range, accuracy and resolution of seismic acquisition equipment, further cause urgent need to develop high precision seismic exploration equipment. To break the international technology blockade and monopoly, COSL develops a series of high precision geophysical acquisition equipment and technology, including “HQI-Seis” high precision acquisition system, “HQI-Poco” positioning and control system, “HQI-Navi” integrated navigation system and “HQI-Source” shot control system. The offshore field test and application show that the data acquired by the HQI series equipment is of high fidelity, wide bandwidth and high resolution. The key technical parameters of the independently developed HQI series equipment have reached the international advanced level of the similar products. CNOOC high precision geophysical acquisition equipment fill the domestic gap and enhance the core competitiveness of China offshore oil and gas exploration technology.

CNOOC; high precision seismic exploration; acquisition equipment and technology; “HQI-Seis” high precision acquisition system; “HQI-Poco” positioning and control system; “HQI-Navi” integrated navigation system; “HQI-Source” shot control system

阮福明，男，高级工程师，2005年7月毕业于中国科学技术大学物理电子学专业，获博士学位，现从事物探装备研发工作。地址：天津市滨海新区塘沽海洋高新区黄山道4500号中海油服产业园区B02座(邮编：300451)。 E-mail:ruanfm@cosl.com.cn。

1673-1506(2017)03-0019-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.03.003

TP319；P631.4

A

*国家高技术研究发展计划(863计划)“深水高精度地震勘探系统成套化研制(编号：2012AA09A211)”部分研究成果。

阮福明,吴秋云,王斌，等.中国海油高精度地震勘探采集装备技术研制与应用[J].中国海上油气，2017,29(3)：19-24.

RUAN Fuming,WU Qiuyun,WANG Bin,et al.Development and application of high precision seismic acquisition equipment in CNOOC[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(3):19-24.